JP2004036891A - スピンドルモータの回転軸受用の流体軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】　潤滑剤貯蔵部と、非接触で作用する結合とを有する流体軸受システムを提供する。
【解決手段】　流体軸受システムは、その軸受筐体３に少なくとも１つの流路１５を備える。この流路１５は、軸受筐体３の外部領域から、当該軸受筐体３とシャフト４との間の軸受間隙８まで延びて、潤滑剤で少なくとも部分的に充満される。一方では、流路１５は、温度の上昇により引き起こされる潤滑剤の容積増加に対する十分な「オーバーフロー容積」を与え、他方では、スピンドルモータの目標寿命に対して蒸発による潤滑剤の損失を補填することができる潤滑剤貯蔵部として構成される。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、ディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータの回転軸受用の流体軸受システムに関する。

　このような流体軸受は、通常、軸受筐体、軸受筐体の開口部に配置されたシャフト及び、軸受筐体とシャフトとの間に形成された少なくとも１つのラジアル軸受領域とを有し、このラジアル軸受領域の助けにより、シャフトと軸受筐体とは、相対的に回転可能に軸支される。ここで、シャフトと軸受筐体との間に形成された軸受間隙は、液体の潤滑剤、好ましくは、軸受油で充満される。

　通常、ディスク記憶装置用スピンドルモータの回転軸受には、玉軸受の代わりに、流体軸受が多く使用されている。玉軸受を有する回転軸受に対するこの軸受原理の利点は、低い雑音レベル、良好な作動精度及び明らかに高い耐衝撃性である。この他にも、必要な部品が少なく、このため、製造コストがかなり低減可能であることも利点である。

　流体軸受では、好ましくは、円筒状のシャフトが軸受筐体の孔の内部に回転可能に軸支される。そのため、軸受孔の内径は、シャフトの外径よりも僅かに大きく、その結果、孔の側面とシャフトとの間に狭い空間が存在し、この空間は、潤滑剤、好ましくは、油で充満される。軸受間隙において流体力学的圧力を形成させるために、溝模様を有する少なくとも１つの側面が提供される。互いに対向して配置された側面、すなわち、軸受面間の回転動作により、ある種のポンプ作用が生成し、その結果、同じ厚さで均一な潤滑剤膜が形成可能であり、この潤滑剤膜は、軸受面を互いに離間し、この領域により、流体力学的圧力が安定化される。

　ディスク記憶装置の最も清浄な空間領域において回転するデータディスクの汚染は、不可避的に、摩耗粉の付着、さらには、駆動装置全体の故障につながるので、流体軸受は、軸受油の漏れ若しくは浸み出しから保護されなければならない。この保護機能は、接触しないで働く結合原理、所謂摩擦結合によってのみ実現されるが、一方で、回転は常に粒子を生成し、そのことは、所謂ヘッド破壊及びさらにはディスク記憶装置全体の故障につながる可能性がある。

　この場合には、簡単なラビリンス結合若しくは所謂粘性シール結合の保護作用、すなわち、結合作用が十分ではなく、そのため、油の漏れが現実には抑制されず、その漏れ傾向のために迷走する油が、今度は、ディスク領域に侵入する可能性がある。そのため、下記の特許文献１では、磁性流体結合を使用することが提案され、その際、磁場の影響下で、「磁性流体」の環状の保護フィルムが軸受の回転部と静止部との間に生成する。それは、また、磁場中に形成された「流動性の」結合に関するものであり、この結合は、既知の差圧を再度形成し得る。
米国特許第５５４１４６２号公報

　もっとも、必要とされる磁性流体の製造は、費用がかかり、さらに、充填プロセスは複雑でかつ耐エラー性が弱く、その結果、そのような結合を使用する際には、かなりの余分なコストがかかることになる。回転数領域は、１００００ｒｐｍまでに限定され、そのため、高回転数時には、さらに流動損失が大きく増加し、そのことは、モータ全体の作動状態を許容されないまでに低下させる。

　高回転数時においてもさらなる損失を惹起しないコスト的にかなり有利な解決手段の１つは、潤滑剤の材料特性を利用することに基づき、キャピラリ吸着凝集力の作動原理も利用する。

　このような解決手段は、例えば、下記の特許文献２において提案され、そこでは、前面端の周囲にある軸受筐体の孔は、「尖端領域」、例えば、円錐形の凹部を備え、その一方で、対置された正面端は、気密に閉成される。
米国特許第５６６７３０９号公報

　流体軸受の「バッグ断面」状の形態により、とりわけ、同時に衝撃が負荷された際の潤滑剤の保持性能が高められ、これにより、ここでは、「キャピラリシール」として示される結合の結合作用が改善される。軸受筐体の凹部により、筐体内周面とシャフト外周面との間に、同軸に、正面端の方向に延在する空間が形成され、この空間は、部分的に軸受油で充満される。この油は、筐体及びシャフトの表面を濡らし、それにより、空気に対する境界面に、凹形状の表面を有するメニスカスが形成される。空間内にある軸受油は、蒸発する軸受油が補填される潤滑剤貯蔵部として機能する。メニスカス上方の円錐状の側面とシャフト外周面との間の空間は、調整容積として機能し、温度依存性のある軸受油の容積が温度の上昇と共に増大し、それにより、流体面が上昇するときには、そこには、軸受油が上昇可能である。

　流体状態の潤滑剤に作用する凝集力は、軸受間隙のキャピラリ力により妨げられ、流動性のある軸受油は、軸受から漏れ出し、清浄空間領域に侵入する。先端が細くなる移行領域が細く形成され、潤滑剤の粘度が高くなるにつれて、この装置の結合作用は、改善される。

　このような軸受装置を有するスピンドルモータの寿命は、主として、時間の経過と共に潤滑剤の量が減少することにより制限され、そのため、蒸気圧により、絶えず、蒸発プロセスが進行する。

　潤滑剤の減少と共に、モータの起動及び停止時において、軸受面が金属的に接触する危険が増加する。その際、軸受間隙の大きさよりも大きい摩耗粒子が生成する可能性がある。それは、乾燥運転及び軸受面の損耗、さらには、モータの破壊につながる。

　上記特許文献２で開示され、流体軸受を構成するための接触しないキャピラリ結合という解決手段については、制限された軸受の寿命が欠点であり、そのため、空間の２つの機能により、潤滑剤貯蔵部として用意された容積の部分だけが自由に使用できる。さらなる欠点は、先端が細くなる空間の軸方向の内側に向けられた形状により、効果的に使用可能な軸受の長さが減少することである。そのため、空間の軸方向の長さ及び傾斜角度が、全体の充満容積に依存し、使用される潤滑剤の流動性が低下するにつれて、潤滑剤の粘度は、軸受の長さに対する空間の長さの比率を、常に、好ましくないものにする。しかし、低粘度の軸受油の使用は、とりわけラップトップ型ＰＣのように持ち運びして使用できるためには、低い損失性能のために、絶対に必要である。

　潤滑剤の保持性能を助長するキャピラリ力の作用が、増大する横断面に比例する以上に減少することも、欠点である。増加する装置温度のために、流体面が上昇するときには、同時に軸方向に衝撃が負荷された際に、低下した保持可能性を有する軸受油が漏れ出し、飛散され得るという危険も増大する。

　持ち運び可能な装置の流体力学的に軸支されたスピンドルモータを有する記憶ディスクの適性についての重要な判断基準は、可能な限り低い損失性能である。この目的は、上述したように、低粘度の潤滑剤を使用することにより、達成される。もっとも、流体力学的ラジアル軸受が十分な剛性を有するようにその寸法を決定するために、上記の種類の低い粘度に適合するキャピラリ結合の部材高さが増加するので、残された使用可能な軸受長さは十分ではない。

　そこで、本発明の課題は、潤滑剤貯蔵部と、非接触で作用する結合とを有する流体軸受システムを提供することであり、その結合機能は、キャピラリ力の作用に基づくので、結合機能の実現は、潤滑剤貯蔵部の形成のための手段により、妨げられない。

　この課題の解決は、請求項１の特徴により、発明にふさわしく行われる。

　本発明において、流体軸受は、筐体に配置された少なくとも１つの流路を有し、この流路は、筐体の外部領域から軸受筐体とシャフトとの間の軸受間隙に至り、潤滑剤を貯蔵するための潤滑剤貯蔵部として構成されている。

　提案される解決手段は、流体を案内する少なくとも１つの流路の提供により、本来のキャピラリ結合から分離され、殆ど独立した潤滑剤貯蔵部に基づき、この流路は、軸受間隙と結合されている。このようにして、軸受の部材長さに負担をかけることなく、キャピラリ結合の機能も、潤滑剤貯蔵部の機能も最適化される。このとき、軸受領域において構造上の変更を必要とすることなく、潤滑剤貯蔵部は、広い境界内に殆ど任意に形成され、その寸法が決定される。

　この発明の望ましいさらなる実施形態において、円錐状の先端が細くなる孔形状の流路が実現され、この流路は、最も狭い横断面を有する孔の端部で、軸受間隙に通じる。このようにして、潤滑剤貯蔵部が生成され、流体軸受の潤滑剤の保持性能を損なうことなく、この潤滑剤貯蔵部は、部分的に軸受油で充満されるにもかかわらず、なお、温度が増加すると共に膨張する潤滑剤のための十分な「オーバーフロー容積」を用意する。

　本発明によれば、潤滑剤貯蔵部と、非接触で作用する結合とを有する流体軸受システムを提供することができる。

　本発明の実施の形態にかかる流体軸受システムについて、以下図面を参照して説明する。

　図１乃至３は、本発明の流体軸受システムを有するディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータを示す。示された例において、ロータを保持するシャフトは、固定された軸受筐体に回転可能に軸支される。容易に理解されるように、本発明は、固定されたシャフトがロータを保持する回転可能な軸受筐体により囲繞される構造も含む。

　例えば、図１に示すように、スピンドルモータは、ステータコア及び巻線部から構成されるステータ部２が配置される固定されたベースプレート１を含む。軸受筐体３は、ベースプレート１の凹部に固定して受け入れられ、シャフト４が回転可能に受け入れられる軸方向の円筒形の孔を有する。シャフト４の自由端は、ディスク記憶装置の図示しない１つ若しくは２以上の記憶ディスクが配置され固定されるロータ部５を保持する。ロータ部５内部の下方の周囲には、複数組の極を有する環状の永久磁石６が配置され、電気的交換場を有し作動空間上に突出したステータ部２に電流が供給され、その結果、ロータ部５は、シャフト４と共に回転する。ステータ巻線部への電流供給は、例えば、電気的接触部７上でなされる。

　軸受筐体３の内径とシャフト４の外径との間には、潤滑剤で充満される軸受間隙８が存在する。流体軸受装置は、溝模様１１，１２により特徴付けられる２つのラジアル軸受領域９，１０により構成され、この溝模様は、シャフト４の表面及び／又は軸受筐体３の内面に形成される。ロータ部５及びシャフト４が回転状態に置かれるとすぐに、溝模様１１，１２により、軸受間隙８、すなわち、そこにある潤滑剤に、流体力学的圧力が形成され、その結果、軸受は支持力（負荷能力）を有する。

　シャフト４と結合された圧力板１３及びカバープレート１４により構成される流体軸受は、シャフト４の下端で、軸受装置の軸方向の力を受ける。カバープレート１４は、軸受装置全体を下方に向かって閉成し、その結果、潤滑剤は軸受間隙８から漏出できない。

　図１に基づく本発明の第１の実施形態では、軸受筐体３内に、好ましくは複数の放射状の孔１５が存在し、これらの孔は、潤滑剤の貯蔵部及び調整容積として機能する。孔１５は、軸受筐体３の外周から内側に向かって延びて、軸受間隙８に至る。この軸受間隙８は完全に潤滑剤で充満され、孔１５は部分的にのみ潤滑剤で充満される。

　本発明の第１の実施形態の範囲内で、軸受筐体の外径から始まる孔は、軸受筐体の内径まで延びて、軸受間隙に通じる。ここで、この孔は、好ましくは、そして、実質的には、装着された軸受システムの回転軸に垂直である。

　図２に基づく本発明の第２の実施形態では、軸受筐体３の正面端領域に、好ましくは複数の孔１６が存在し、これらの孔は、潤滑剤の貯蔵部及び調整容積として機能する。孔１６は、回転軸２０と傾斜角度αをなすように、正面端１７から内側に向かって円錐状に延びて、軸受間隙８に至る。ここでも、軸受間隙８は完全に潤滑剤で充満され、孔１６は部分的にのみ潤滑剤で充満される。

　このように、孔１６は、回転軸に対して角度αをなして、軸受筐体３の正面端１７から始まりその内径まで延びる、つまり、この孔１６は、軸受システムの回転軸と、例えば、６０°の角度をなし、軸受間隙８で終端する。

　潤滑剤容量を増大させるために、軸受筐体３の全周に亘って割り当てられた、複数のこのような孔が配置され得る。

　図３に基づく本発明の第３の実施形態は、軸受筐体３の外周に環状の溝１８若しくは刻み目を備え、この溝も、同様に、潤滑剤の貯蔵部及び調整容積として機能する。溝１８は、溝の底部から延びて、好ましくは、複数の孔１９を通って、軸受間隙８と連通して接続され、その結果、潤滑剤は、溝１８から軸受間隙８に流れ得る。

　このように、軸受筐体３の外径において、潤滑剤を受け入れるための、少なくとも１つの正接する若しくは環状の溝１８が用意され、その際、この溝と軸受間隙とは、１つ若しくは複数の流路及び／又は孔を介して、流体を案内するように互いに接続される。孔と同様に、円錐形で先端が細くなる横断面の環状溝が、すなわち、刻み付けられた形態で提供可能である。

　孔、すなわち、溝の容積及びこれらが潤滑剤で充満される程度は、一方では、温度の上昇により引き起こされる潤滑剤の容積増加に対する十分な「オーバーフロー容積」が与えられ、他方では、スピンドルモータの目標寿命に対して蒸発による潤滑剤の損失が補填され得るように、選択される。そのため、例えば、溝及び／又は孔により形成される潤滑剤貯蔵部の充満度合いは、軸受装置の全充満容積の少なくとも５０％に設定され得る。

　軸受筐体３の外周で、溝１８の領域には、好ましくは、キャップ状のカバー２１が配置され、このカバーは、溝１８を外側に向かって閉成する。この構成により、潤滑剤の蒸発は低減される。軸受間隙に至る潤滑剤の流れを確保するために、溝１８の通気用に、このカバー２１は、少なくとも１つの通気孔を備える。

　流路及び孔のカバーは、図１及び図２に基づく実施形態においても合理的である。そのため、図１の実施形態で示された孔１５は、同様にして、このようなカバー２１で閉成可能である。

　図２の流路１６は、例えば、軸受筐体３の正面端に配置された板状のカバーにより覆われ得る。

　以上説明したように、軸受筐体の外部から、該軸受筐体及びシャフトの間の軸受間隙に延びる少なくとも１つの流路が潤滑剤貯蔵部として軸受筐体に配置される。形成された潤滑剤貯蔵部は、キャピラリ結合から殆ど独立しているので、キャピラリ結合の作用を妨害することなく、潤滑剤貯蔵部としての機能を最適化するように任意に寸法及び形状等が決定され得る。

　本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲でその応用及び変形等は任意である。

　また、本発明の流体軸受システムは、好ましくは、ディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータの回転軸受として使用されるが、任意のスピンドルモータの回転軸受に適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る潤滑剤貯蔵部を有するディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る潤滑剤貯蔵部を有するスピンドルモータを示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る潤滑剤貯蔵部を有するスピンドルモータを示す断面図である。

符号の説明

　１　　ベースプレート
　２　　ステータ部
　３　　軸受筐体
　４　　シャフト
　５　　ロータ部
　６　　永久磁石
　７　　接触部
　８　　軸受間隙
　９　　ラジアル軸受領域
　１０　ラジアル軸受領域
　１１　溝模様
　１２　溝模様
　１３　圧力板
　１４　カバープレート
　１５　孔
　１６　孔
　１７　正面端
　１８　溝
　１９　孔
　２０　回転軸
　２１　カバー

Claims (10)

1. 　軸受筐体（３）と、前記軸受筐体（３）の開口部に配置されたシャフト（４）と、前記シャフト（４）及び前記軸受筐体（３）を回転可能に軸支し前記軸受筐体（３）と前記シャフト（４）との間に配置されたラジアル軸受領域（９，１０）とを備え、前記シャフト（４）と前記軸受筐体（３）との間に形成された軸受間隙（８）に液体の潤滑剤が装入されるディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータの回転軸受用の流体軸受システムであって、
   　前記軸受筐体（３）に少なくとも１つの流路（１５，１６）を備え、
   　当該流路（１５，１６）は、前記軸受筐体（３）の外部領域から、前記軸受筐体（３）と前記シャフト（４）との間の前記軸受間隙（８）まで延びて、潤滑剤で少なくとも部分的に充満される、
   　ことを特徴とする流体軸受システム。
2. 　前記流路は、円錐状の孔（１５，１６）として形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の流体軸受システム。
3. 　前記流路（１５）は、前記軸受筐体（３）の外径から延びてその内径に至る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体軸受システム。
4. 　前記流路（１５）は、軸受装置の回転軸（２０）に対して実質的に垂直である、ことを特徴とする請求項３に記載の流体軸受システム。
5. 　前記流路（１６）は、前記軸受筐体（３）の正面端部（１７）から延びて当該軸受筐体の内径に至る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体軸受システム。
6. 　前記流路（１６）は、軸受装置の回転軸（２０）と角度αをなすように延びる、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体軸受システム。
7. 　前記軸受筐体（３）の外径に、潤滑剤を受け入れるための環状の溝（１８）を備え、
   　当該溝（１８）と前記軸受間隙（８）とは、少なくとも１つの流路（１９）を介して互いに連通して接続される、
   　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流体軸受システム。
8. 　前記溝（１８）は、刻み目として形成される、ことを特徴とする請求項７に記載の流体軸受システム。
9. 　前記溝及び／又は流路により形成される潤滑剤貯蔵部の充満度合いは、軸受装置の充満容積全体の少なくとも５０％になる、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流体軸受システム。
10. 　前記流路（１５，１６）及び／又は溝（１８）は、環状若しくはキャップ状のカバー（２１）により覆われる、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流体軸受システム。

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